毕业设计（论文）-机用虎钳逆向设计及运动仿真.docx

毕业设计机用虎钳逆向设计及运动仿真机械工程系张晋红102011409学生姓名： 学号： 机械设计制造及其自动化系 部： 张爱荣专 业： 指导教师： 二一四年六月诚信声明本人郑重声明：本设计及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成设计时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日机用虎钳逆向设计及运动仿真摘要：逆向工程作为近年来迅速发展的快速设计制造技术的重要分支，可大大缩短产品制造周期，因而在制造领域得到了广泛的应用。本文通过研究机用虎钳的逆向设计过程，来了解逆向工程的概念、方法以及逆向设计的整个工作流程。具体过程是通过采用三坐标测量机对机用虎钳进行测量扫描，建立机用虎钳的三维模型；然后根据机用虎钳的原始模型来进行改良，对产生问题的模型进行直接的修改和分析；然后再根据修正后的模型通过PRO/E软件绘制出最终的三维模型，并采用PRO/E对模型进行运动仿真，最后绘制机用虎钳的装配图和零件图，此方法有效地解决了机用虎钳难以精确测量的问题。与传统的正向设计方法相比,该方法提高了工作效率,缩短了新产品的开发周期。关键词：逆向工程，PROE，建模，运动仿真Reverse design and movement simulation of machine viceAbstract：As an important branch ofrapid designin recent years the rapid developmentof manufacturingtechnology of reverse engineering,which cangreatly shorten the productmanufacturing cycle,so it is applied widelyin the manufacturing field.This papermachine withreverse design processof vice,tounderstand the concept,the method of reverse engineeringand reversedesign of the entirework process.Specific process isthrough the use ofthree coordinate measuring instrument ofmachine vicewere measured byscanning,establish the three-dimensional model ofthe machine vice.Thenaccording to the original modeltoimprovethe machine vice,throughmodification,testing and analysisofthemodeldirectly.Themachineworking principleof vice,characteristicsofthe main parametersof themachinevises,designofmachineparts,the structure sizeof vicecalculate correctly,get relativelyideal result,then according tothe modified modelbyPRO/Esoftware to draw thethree-dimensionalmodel ofthe final,and uses PRO/Esimulation exercisethe model,finally drawingmachineassemblyviceand parts diagram,this method effectively solves themachine vicedifficult to measure accuratelythe problem.Compared with thetraditional top-down design method,this methodimproves the work efficiency,shorten thedevelopment cycle of new products.Keywords: Reverse engineering,PROE, Modeling, Motion simulation目 录1 前言-12 逆向工程和三坐标测量机-22.1 概述22.2 逆向工程22.2.1 逆向工程的定义22.2.2 逆向工程的应用领域42.2.3 逆向工程在国内外研究状况62.3 三坐标测量机62.3.1 三坐标测量机的原理72.3.2 三坐标测量机的组成72.3.3 三坐标测量机的发展趋势103 机用虎钳-143.1 机用虎钳的工作原理143.2 机用虎钳的工作特点153.3 数据测量方法153.4 机用虎钳的测量163.5 数据处理及所存在的问题193.6 机用虎钳的改进204 PRO/E实体建模与运动仿真-224.1 PRO/E概述224.1.1 PRO/E的产生和发展224.1.2 PRO/E的主要特性234.2 机用虎钳各零件的建模244.3 机用虎钳的装配体图274.4 机用虎钳的运动仿真27结论-29参考文献-30致谢-31太原工业学院毕业设计1 前言逆向工程是和将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。三坐标测量机是20世纪60年代发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。它广泛应用于制造、电子、汽车和航空航天等工业中。Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。本文通过研究机用虎钳的逆向设计过程，来了解逆向工程的概念、方法以及逆向设计的整个工作流程。具体过程是通过采用三坐标测量机对机用虎钳进行测量扫描，建立机用虎钳的三维模型；然后根据机用虎钳的原始模型来进行改良，对产生问题的模型进行直接的修改和分析；然后再根据修正后的模型通过PRO/E软件绘制出最终的三维模型，并采用PRO/E对模型进行运动仿真，最后绘制机用虎钳的装配图和零件图。2 逆向工程和三坐标测量机2.1 概述作为产品设计制造的一种手段，在20世纪90年代初，逆向工程技术开始引起各国工业界和学术界的高度重视，从此以后，有关逆向工程技术的研究与应用就一直受到政府、企业和个人的关注，特别是随着现代计算机技术及测试技术的发展，利用CAD/CAM技术、先进制造技术来实现产品实物的逆向工程，已成为CAD/CAM领域的一个研究热点，并成为逆向工程技术应用的主要内容。零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据，在这基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。因而，高效、高精度地实现样件表面的数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之一。根据测量探头是否和零件表面接触，零件表面数据采集方法可分为接触式数据采集和非接触式数据采集两大类。接触式包括基于力-变形原理的触发式和连续扫描式数据采集；而非接触式主要有激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、结构光学法、图像分析法等。另外，随着工业CT技术的发展，断层扫描技术也在逆向工程中取得了应用。在接触非接触测量中，三坐标测量机（CMM）是广泛采用的一种测量设备。2.2 逆向工程2.2.1 逆向工程的定义逆向工程（Reverse Engineering,RE），也称反求工程、反向工程等。逆向工程起源于精密测量和质量检验，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路，它是一种产品设计技术再现过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。其主要目的是在不能轻易获得必要的生产信息的情况下，直接从成品分析，推导出产品的设计原理。传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，我们称之为正向工程（或顺向工程），而产品的逆向工程是根据零件（或原型）生成图样，再制造产品。它是一种以先进产品设备的实物、样件、软件（包括图样、程序、技术文件等）或影像（图像、照片等）作为研究对象，应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统系统分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品的技术，是针对消化吸收先进技术采取的一系列分析方法和应用技术的结合。广义的逆向工程包括形状（几何）逆向、工艺逆向和材料逆向等诸多方面，是一个复杂的系统工程。如图2.1所示1：图2.1 顺向工程和逆向工程与传统意义上的正向设计相比较，逆向设计拥有以下几个方面的优点：（1） 有助于从概念到产品的快速制造，缩短了新产品的开发周期。（2） 加速产品的开发，降低了产品的研发成本。（3） 逆向设计是对已有设计的再设计，可以从更高的起点设计出更好的产品。（4）正确合理应用逆向设计技术，可以在企业中建立快速的市场响应技术平台，在竞争中立于不败之地2。逆向工程被广泛地应用到新产品开发和产品改型设计、产品仿制、质量分析检测等领域,它的特点是:（1）缩短产品的设计、开发周期,加快产品的更新换代速度；（2）降低企业开发新产品的成本与风险；（3）加快产品的造型和系列化的设计；（4）适合单件、小批量的零件制造,特别是模具的制造,可分为直接制模与间接制模法。直接制模法:基于RP技术的快速直接制模法是将模具CAD的结果由RP系统直接制造成型。该法既不需用RP系统制作样件,也不依赖传统的模具制造工艺,对金属模具制造而言尤为快捷,是一种极具开发前景的制模方法;间接制模法:间接制模法是利用RP技术制造产品零件原型,以原型作为母模、模芯或制模工具(研磨模),再与传统的制模工艺相结合,制造出所需模具3。逆向工程系统主要由三部分组成：产品实物几何外形的数字化、CAD模型重建、产品或模具制造。组成系统的设备软件主要包括：（1）测量机与测量探头测量机+测量探头是进行实物数字化的关键设备。测量机有三坐标测量机、多轴专用机、多轴关节式机械臂等；测量探头分接触式（触发探头、扫描探头）和非接触式（激光位移探头、激光干涉探头、线结构光及CCD扫描探头、面结构光及CCD扫描探头）两种。（2）数据处理 量机得到的外形点数据在进行CAD模型重建以前必须进行格式转换、噪声滤除、平滑、对齐、归并、侧头半径补偿和插值补点等数据处理。（3）模型重建软件（CAD/CAM）模型重建软件包括三类，一是用于正向设计的CAD/CAE/CAM软件，如Solidworks、I-deas、GRADE等，但数据处理和逆向造型功能有限；二是集成有逆向功能模块的正向CAD/CAE/CAM软件，如集成有SCANTOOLS模块的Pro/Engineer、集成有点云处理和曲线、曲面拟合、快速造型功能的UGII和STRIM100等；三是专用的逆向工程软件，如Imageware、Paraform、Geomagic等。除此之外，有较高要求的还包括产品数据管理（PDM）等软件。支撑软件的硬件平台有个人计算机和工作站。（4）CAE软件 助工程分析，包括机构运动分析、结构仿真、流场及温度场分析等。目前较流行的分析软件有Ansys、Nastran、I-deas、Moldfolw、ADMAS等。（5）CNC加工设备各种CNC加工设备进行原型和模具制作。（6）快速成型机产生模型样件，按制造工艺原理分有印刷成型、层合实体制造、选域激光烧结、熔融沉积造型、三维喷绘粘结、焊接成型和数码累积造型等方法。（7）产品制造设备各种注塑成型机、扎出机、钣金成型机等1。2.2.2 逆向工程的应用领域逆向工程的关键技术有：（1）数据采集:数据采集就是运用一定的测量设备和测量方法对实物样件进行测量,获取样件表面信息,得到三维坐标。数据采集是逆向工程的首要环节,主要有接触式和非接触式两大类测量方法。（2）数据处理:数据处理就是对釆集到的数据进行多视拼合、噪声去除、数据精简、数据修补等处理工作。数据处理是进行模型重构工作前的必要准备,在整个逆向工程流程中也十分关键。（3）模型重构:模型重构就是运用一定的逆向工程软件对点云数据进行处理,最终生成实物样件的三维数字化模型。模型重构是逆向工程中最为关键的环节,是逆向工程技术在工程应用中的主要体现5。在制造业领域内逆向工程有广泛的应用背景。在下列情形下，需要将实物模型转换为CAD模型：（1）尽管计算机辅助设计技术（CAD）发展迅速，各种商业软件的功能日益强大，但目前还无法满足一些复杂曲面零件的设计需要，还存在许多使用粘土或泡沫模型代替CAD设计的情况，最终需要运用逆向工程将这些实物模型转换为CAD模型。（2）外形设计师倾向使用产品的比例模型，以便于产品外形的美学评价，最终可通过运用逆向工程技术将这些比例模型用数学模型表达，通过比例运算得到美观的真实尺寸的CAD模型。（3）由于各相关学科发展的水平限制，对零件的功能和性能分析，还不能完全由CAE来完成，往往需要通过实验来最终确定零件的形状，如在模具制造中经常需要通过反复试冲和修改模具型面方可得到最终符合要求的模具。若将最终符合要求的模具测量并反求出其CAD模型，在再次制造改模具时就可运用这一模型生成加工程序，就可大大减少修模型，提高模具生产效率，降低模具制造成本。（4）目前在国内，由于CAD/CAM技术运用发展的不平衡，普遍存在这样的情况：在模具制造中，制造者得到的原始资料为实物零件，这时为了能利用CAD/CAM技术来加工模具，必须首先将实物零件转换为CAD模型，继而在CAD模型基础上设计模具。（5）艺术品、考古文物的复制。（6）人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造。（7）特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需首先建立人体的几何模型。（8）在RPM的应用中，逆向工程的最主要表现为：通过逆向工程，可以方便地对快速原型制造的原型产品进行快速、准确的测量，找出产品设计的不足，进行重新设计，经过反复多次迭代可使产品完善1。2.2.3 逆向工程在国内外研究状况美国在其国内已经建立了集测量、设计、快速成型、数控加工于一体的逆向工程中心，在英国、德国、法国、日本、韩国、台湾等许多国家和地区已有商品化的逆向工程设备和系统软件相继投入使用，有效地提高了企业的竞争力，促进了生产力的发展，反求工程在国外已取得了长足的进步。中国是一个制造大国，制造业在世界上排第一，能够制造出很多高质量的机电产品，但我们的制造水平还比较落后，大多数产品都还用外国提供的技术。随着我国工业的不断进步中,吸收国外先进产品技术并进行改进是重要的产品设计手段。逆向工程技术为产品的改进设计提供了方便的工具，在已有产品基础上设计新产品，缩短开发周期，可以使企业适应小批量的生产要求，从而使企业在激烈的市场竞争中处于有利的地位。在我国东西部的逆向工程的水平不一样，在东部沿海大多数设计开始使用逆向设计而在西部基本还处于原始的正向设计阶段，因此中国的反求水平还是一个落后的阶段，逆向设计还有很大的发展空间。通过对机用虎钳的反求，认识反求的方法和过程，了解逆向工程的用途1。2.3 三坐标测量机三坐标测量机是20世纪60年代发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。它广泛应用于制造、电子、汽车和航空航天等工业中。起初是作为一种检测仪器，对零件和部件的尺寸、形状和相互位置进行检测。此外，还可用于划线、定中心孔、光刻集成线路等，由于三坐标测量机具有对连续曲面进行扫描来制备数控加工程序的功能，因此一开始就被选为逆向工程的主要的数字化设备并一直使用至今。三坐标测量机出现以前，测量空间三维尺寸已有一些原始的方法，如采用高尺度和量规等通用量具在平板上测量，以及采用专用量具、心轴、验棒等量具测量孔的同轴度及相互位置精度。早期出现的测长机可在一个坐标方向上进行工件长度的测量，既是单坐标测量机，仅能进行一维测量，后来出现的万能工具显微镜具有X与Y两个坐标风向移动的工作台可测量平面上各点的坐标位置，即二维测量，也称为二坐标测量机。因此，如果具备X、Y、Z方向的运动导轨，就可测出空间范围内各测点的坐标位置。2.3.1 三坐标测量机的原理坐标测量原理是：将被测物体置于三坐标机的测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算可求出被测的几何尺寸、形状和位置。在三坐标测量机上装置分度头、回转台（或数控转台）后，系统具备了极坐标（柱坐标）系测量功能，这种具有X、Y、Z、C四轴的坐标测量机成为四坐标测量机。按照回转轴的数目，也可有五坐标或六坐标测量机。2.3.2 三坐标测量机的组成作为一种测量仪器，三坐标测量机主要是比较被测量与标准量，并将比较结果用数值表示出来。三坐标测量机需要三个方向的标准器（标尺），利用导轨实现沿相应方向的运动，还需要三维测头对被测量进行探测和瞄准。此外，测量机还具有数据自动处理和自动检测等功能，需要由相应的电气控制系统与计算机软硬件实现。三坐标测量机可分为主机、测头、电气系统三大部分，如图2.2所示：图2.2 三坐标测量机的组成（1）主机三坐标测量机的主机结构如图2.3所示。图2.3 主机结构 框架结构：指测量机的主体机械结构架子。它是工作台、立柱、桥框、壳等机械结构的集合体标尺系统：重要组成部分，包括线纹尺、精密丝杠、感应同步器、光栅尺、磁尺及光波波长及数显电气装置等。导轨：实现三维运动，多采用滑动导轨、滚动轴承导轨和气浮导轨，以气浮导轨为主要形式。气浮导轨由导轨体和气垫组成，包括气源、稳压器、过滤器、气管、分流器等气动装置。驱动装置：实现机动和程序控制伺服运动功能。由丝杠丝母、滚动轮、钢丝、齿形条、齿轮齿条、光轴滚动轮、伺服马达等组成。平衡部件：主要用于Z轴框架中，用于平衡Z轴的重量，使Z轴上下运动时无偏重干扰，Z向测力稳定。转台与附件：使测量机增加一个转动运动的自由度，包括分度台、单轴回转台、万能转台和数控转台等。（2）三维测头三维测头既是三维测量传感器，它可在三个方向上感受瞄准信号和微小位移，以实现瞄准和测微两项功能。主要有硬测头、电气测头、光学测头等。测头有接触和非接触式之分。按输出信号分，有用于发信号的触发式测头和用于扫描的瞄准式测头、测微式测头等。（3）电气系统电气控制系统：是测量机的电气控制部分，具有单轴与多轴联动控制、外围设备控制、通信控制和保护与逻辑控制等。计算机硬件部分：包括各式PC机和工作站。测量机软件：包括控制软件与数据处理软件。可进行坐标变换与测头校正，生成探测模式与测量路径，还用于基本几何元素及其相互关系的测量、形状与位置误差测量、齿轮、螺纹与凸轮的测量、曲线与曲面的测量等，具有统计分析、误差补偿和网络通信等功能。打印与绘图装置：根据测量要求打印输出数据、表格、绘制图形等1。三坐标测量机的类型：（1）按自动化程度分数字显示及打印型：主要用于几何尺寸测量，能以数字形式显示或记录测量结果以及打印结果，一般用于手动测量。带小型计算机的测量机：由计算机可进行诸如工件安装倾斜的自动校正计算、坐标变换、孔心距计算、偏差值计算等，并可预先储备一定量的数据，通过计量软件存储所需测量件的数学模型和对曲线表面轮廓进行扫描计算。计算机数字控制（CNC）型：带小型计算机的测量件的测量过程仍然是手动或机动的，计算机数字控制（CNC）型可按照编制好的程序自动进行测量。按功能可分为：1）编制好的程序对已加工好的零件进行自动检测，并可自动打印出实际值和理论值之间的误差以及超差值。2）可按实物测量结果编程。与数控加工中心配套使用，将测量结果经计算机后置处理，生成针对各种机床的加工控制代码。（2）按结构形式与运动关系分类按结构形式分为移动桥式、龙门式、悬臂式、水平臂式、坐标镗床、卧镗式和仪器台式等。（3）按测量范围分类小型坐标测量机：主要用于测量小型精密的模具、工具、刀具与集成线路板等，测量精度高，测量范围，一般是X轴方向小于500mm。中型坐标测量机：测量范围在X轴方向为5002000mm。精密等级为中等，也有精密型的。大型坐标测量机：测量范围在X轴方向大于2000mm。精密等级为中等或低等。（4）按精度分类三坐标测量机按精度可分为低精度、中等精度和高精度的测量机，低、中、高精度三坐标测量机大体上可这样划分；低精度测量机的单轴最大测量不确定度大体在110-4L左右，而空间最大测量不确定度为（23）10-4L，其中L为最大量程；中等精度的其单轴与空间最大测量不确定度分别约为110-5L和（23）10-5L；精密度的则分别为小于110-6L和（23）10-6L1。2.3.3 三坐标测量机的发展趋势三坐标测量机自开发以来，至今已约有30年。在此期间，它与计算机技术的发展相结合取得了惊人的进展，从而在精测仪器中占有相当大的比重。从目前国内外三坐标测量机发展状况和科技、生产对三坐标测量机提出的要求看，在今后一段时间内，它的主要发展趋势体现在以下几个方面。（1）高精度化三坐标测量机自开发以来，一直要求具有高精度，当前随着加工精度的哇显著提高，这种要求更趋强烈。要提高精度有许多问题需要解决，其中最重要的是机械主体的基本结构问题。当前三坐标测量机仍是由三相正交的三轴组成笛卡尔坐标系的模式。与多轴自动化机床相似，正确地选择测量机工体的形式（立式或卧室）是十分重要的。一般来说，在测量小型工件时，使用高柔性卧室主轴最为有利。为实现更高精度的测量精度，在中等规格尺寸测量机领域内，国外最新的三坐标测量机均采用了单一的桥式构造。但桥式构造的竞争焦点在桥固定式和桥移动式之间。（2）自动化（计算机数控化）从最近国外推出的产品来看，测量机数控系统有明显的两级发展趋势：高档型和廉价型。高档型是传统知名的测量机厂商的产品，以价格较高的机型供给大型企业，这些企业具有较高的计算机应用水平，廉价型系统是日本和英国某些公司的产品，大都采用DCC（Directly Computer Cintrol）技术，以求降低成本，同时满足使用要求。另外，计算机数控化目的并不单纯只是为了利用外围设备和软件来节约人力，而且要通过使用仿形测头的连续仿形测量，应用于评定曲面形状、排除人员误差的高精度测量。（3）非接触测量探测技术在三坐标测量机中占有重要位置。从原理上说只要探头能探及，三坐标测量机就能测量。三坐标测量机的测量效率也首先取决于探测速度。为了完善测量机功能，还必须发展各种附件。三坐标测量机除了机械本体外，测头是测量机达到高精度的关键，也是坐标测量机的核心，与其他各项技术指标相比，提高测头的性能指标难度最大。如由OPTON和LETTZ公司开发的实用高精度探头三维电感测头取得专利已有近20年历史，但至今改进不大。由于非接触测头具有许多优点，探测技术发展的第一个重要趋势是，非接触测头将得到广泛的应用。十分重要的是，在微电子工业中有许多二维图案，如大规模集成电路掩模，它们是用接触测头无法测量的。近年来国外光学三坐标测量机发展十分迅速，光学三坐标测量机的核心就是非接触测量。（4）采用新材料，运用新技术近年来，铝合金、陶瓷材料以及各种合成材料在三坐标测量机中得到了越来越广泛的应用。铝合金特别适合于制作高速运行的三坐标测量机。它导热好，不易产生复杂热变形。尽管它线膨胀系数较大，但简单热变形比较容易补偿。它耐磨性差，可在其表面涂覆一层耐磨的陶瓷材料，为了克服陶瓷导热性能差、难以加工的缺点，正在开发各种人工合成陶瓷。可以按需要做成各种所需形状。还可以通过适当的材料设计，使它具有所需的性能。（5）测量软件测量机的功能主要由软件决定。三坐标测量机的操作、使用的方便性，也首先取决于软件。测量机软件所覆盖的范围越来越大。它不仅包括坐标系的转换、测端半径补偿、控制软件、数据处理软件，还包括误差补偿软件、CAD、CAM软件与网络通信软件等。从每一类软件的内容看，也越来越丰富。可以说测量机软件是三坐标测量机中发展最为迅速的一项技术，软件的发展将使三坐标测量机向智能化的方向迈进。今后的智能三坐标测量机至少应包含下述内容：能进行自动编程。自动编程分两种情况：有图样与没有图样。对于前者，首先需要读入图样，然后按照图样的要求，利用存储在计算机内的知识库与决策库确定测量策略，自动选择配置，安排测量路径，编排测量程序。目前对有CAD图样的情况相对来说有一些成功的经验。对没有CAD图样的情况，基本上还是空白。对于后者，就要利用若干个摄像头，大致地测出工件形状，然后在此基础上实现自动编程。确定测量策略包括基面的选择、测量项目和采样点的安排等。测量路径的选择包括纺织碰撞的计算机仿真实验、测量路径优化等。这里还包括工件安装位置的自动识别，否则就无法实现无碰撞的测量路径优化。按测量任务队测量机进行优化。智能测量机能够按照测量任务，提示工件最佳安装位置，并针对被测量参数进行优化。在测量前对测量不确定度做出评定，并按此确定采样策略与测量速度。故障自动诊断。自动化程度越高、运行速度越高的测量机，对可靠性的要求越高，对故障自动诊断的要求越高。故障自动诊断不仅包括测量机无法正常工作的故障，而且还包括出现其它一些不正常现象，例如室温偏高，测得数据明显不合理（如超差太大）时发出提示。也可以在发现有超差（或临近公差带边缘）时，发出重测指令。CAD文件特征识别。系统能根据CAD设计图形文件IGES提取测量信息、测量机的特征以及各组成特征之间的位置关系，然后将二维的CAD图样信息转化为三维的带有公差信息的零件定义模型。零件位置自动识别系统是利用计算机视觉处理零件的图样，完成零件在测量机中的位置测量，并在此基础上建立零件坐标系。（6）使用现场化迄今为止，三坐标测量机只是在某种特定的环境条件（温度、粉尘、振动等）下使用，但是随着其有效性广泛被人们所认识，将会越来越要求在加工现场使用，或将作为在线测量设备使用。这里还存在不少需待解决的问题，例如直接与精度有关的温度和振动等问题，对粉尘或切削油的处置方法、自动生产线节拍的高速化等。目前各生产厂家正在投入力量进行研制，已有带防尘结构的产品进入市场。（7）成为制造系统的组成部分从发展趋势来看，三坐标测量机正逐渐成为机械制造业的主导检测设备，将越来越多地用于生产线，成为制造系统的一个组成部分。没有其他测量仪器，具有三坐标测量机这样的柔性、万能性，能在计算机控制下完成各种复杂测量，能与加工机床交换信息，完成保证质量、控制加工的任务；或根据测试结果，构成CAD、CAM软件，实现逆行工程1。3 机用虎钳机用虎钳又叫机用平口钳，是配合机床加工时用于夹紧加工工件的一种机床附件。机用平口钳夹具，是机械加工过程中不可缺少的附件之一，是一种应用范围广、定位精度较高、成本低、操作简便的通用夹具。平口钳主要包括底座，底座上有能够相对于底座转动的钳体，钳体上有与钳体相配合并能够左右移动的滑板，滑板的右端固连有钳口，滑板内有与钳体固连的螺母，螺母内有与之相配合并能够驱动滑板往复移动的丝杠，在与钳口相对应的位置上有与钳体活动连接不同形状的钳口台。可在铣床、刨床、镗床、钻床、磨床等机床上直接装夹不同形状的工件6。如图3.1即为机用虎钳的实体模型。我们的任务就是采用三坐标测量仪对机用虎钳进行反求，建立机用虎钳的三维模型，并转化为二维生产图，以解决机用虎钳难以精确测量的问题，并在原模型的基础上加以改进，并作出运动仿真。图3.1 机用虎钳的实体模型3.1 机用虎钳的工作原理用扳手转动丝杠，通过丝杠螺母带动活动钳身移动，形成对工件的加紧与松开。机用虎钳装配结构是将可拆卸的螺纹连接和销连接的铸铁合体；活动钳身的直线运动是由螺旋运动转变的；工作表面是螺旋副、导轨副及间隙配合的轴和孔的摩擦面。3.2 机用虎钳的工作特点设计结构简练紧凑，夹紧力度强，易于操作使用。内螺母一般采用较强的金属材料材料，使夹持力保持更大，一般都会带有底盘，底盘带有180刻度线可以360平面旋转。机用虎钳作为一种机床夹具，它的主要功能如下：（1）保证加工质量使用机床夹具的首要任务是保证加工精度，特别是保证被加工工件加工面与定位面之间以及被加工表面相互之间的位置精度。使用机床夹具后，这种精度主要靠夹具和机床来保证，不再依赖于工人的技术水平。（2）提高生产效率，降低生产成本使用夹具后可减少划线、找正等辅助时间，且易实现多件、多工位加工。在现代机床夹具中，广泛采用气动、液动等机床夹紧装置，可使辅助时间进一步减少。（3）扩大机床工艺范围在机床上使用夹具可使加工变得方便，并可扩大机床的工艺范围。例如，在机床或钻床上使用镗模，可以代替镗床镗孔。又如，使用靠模夹具，可在车床或铣床上进行仿形加工。（4）减轻工人劳动强度，保证安全生产8。3.3 数据测量方法数据测量工作是逆向工程工作流程中的第一阶段,后面的工作都要在此基础上来完成。如果数据获取时所得到的测量数据存在误差,那么在模型重构中所生成的模型就不可能足够准确,并且最终导致生产出来的产品不能够如实的反映原来的实物模型。数据测量是整个逆向工程技术的基础。常用的测量设备主要分为二维和三维两种,大多数测量设备均属于三维测量设备,二维测量设备主要用于测量平面数据信息(如孔的直径和中心的定位),测量较为精确。反求技术所采用的测量方法主要有两种:接触式测量法和非接触式测量法5。接触式测量方法通过传感测量头与样件的接触而记录样件表面的坐标位置，可以细分为点触发式和连续式数据采集方法。对于航空航天、汽车等行业，大型样件的测量一般可以选用接触式测量，以满足精度要求。因为，接触式测量中的点触发式测量可以通过人为规划，使得在大曲率或曲率变化剧烈的区域获得较多的测量点，而在相对平坦的区域则可以测量较少的点。结合造型方法，人工对被测物体进行区域规划，测量对物体形状起关键作用的特征线和曲线网格，数据点可以根据需要组织成模型重建软件所需要的形式，然后根据特征线及曲线网格重建物体的CAD模型，减少了数据处理的难度和工作量。其唯一的缺点是测量效率较低。非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。例如：声纳测量仪利用声音遇到被测物体产生回声的时间计算点与声源间的距离；激光测距法是将激光束的飞行时间转化为被测点与参考平面间的距离。非接触式测量使测量效率得到了极大提高，某些光学测量机可以在数秒钟内得到几十万个数据点，因而在测量过程中可以大大减少人工测量规划，在整个样件表面快速采集大量的密集点集。由于操作简便，以激光测距法为代表的非接触式测量技术近两年来，发展迅速，应用普及面越来越广。不过，非接触测量获得的海量数据的数据量非常庞大，常有几十万、上百万，甚至更多。必须配合较强功能的逆向软件和高性能的计算机设备，才能顺利使用。不过，将五年来，按照摩尔定律，计算机硬件的性能迅速提高，软件技术也今非昔比，基于光学的非接触式测量方法和三坐标测量设备在逆向工程中得到了更为广泛的应用。3.4 机用虎钳的测量针对机用虎钳的外形观察，我们知道机用虎钳主要由以下几部分组成：固定钳身、活动钳身、方块螺母、钳口板、螺杆、垫片、螺钉等。我们以固定钳身为测量对象来说明测量的具体步骤。机用虎钳测量的具体操作步骤：（1）用酒精擦拭设备工作台以及所需测量的工件表面 （2）连接设备并接通电源将设备与电脑相应的接头相连，启动电脑。（3）启动软件双击桌面上的图标，打开软件，其见面如图3.2所示。图3.2 Rational DMIS打开界面（4）测量零件的距离，平面度我们测量的零件为机用虎钳的固定钳身，所测的平面图如图3.3所示：图3.3 所测的固定钳身的平面图其中固定钳身所对应的各个平面如图3.4所示：图3.4 固定钳身所对应平面图测得的数据为：L0-1 max=30.834489mm, L0-1 min=30.292129mm L0-2max=13.377446mm，L0-2 min=12.856628mm， L0-2 平均=13.0582mm L3-4max=29.390999mm,L3-4 min=29.308454mm, L3-4 平均=29.3503mm L3-5max=31.046959mm,L3-5 min=30.909856mm, L3-5 平均=30.9766mm 1=15.7783mm， 2=11.9636mm 平面1的平面度为0.0266mm。 5.导出数据 6.断开软件和设备之间的连接并关闭软件和设备3.5 数据处理及所存在的问题对上述数据进行处理，有：L0-1 max-L0-1 min=0.542360mm，L0-2 max-L0-2 min =0.510818mmL3-4 max-L3-4 min=0.082545mm，L3-5 max-L3-5 min=0.137103mm根据上面测得的数据，我们知道所测得的距离有最大值和最小值，即是两平面之间距离的最大值和最小值，例如平面0和平面1之间的最大值为L0-1 max=30.834489mm，最小值为L0-1 min=30.292129mm，经计算我们知L0-1 maxL0-1 min=0.542360mm，知平面0和平面1之间的偏差是比较大的。同理，通过分析其余所测的各两个平面之间的偏差，我们知机用虎钳模型的精度不高，影响有如下几点：（1）由于机用虎固定钳钳身的平面精度不高，而机用虎钳是使用平面定位的，所以虎钳的定位精度也不高，因此机用虎钳的装夹精度不高，这将直接影响机用虎钳所装夹工件的加工精度，增大加工误差，这会对我们以后的使用产生较大的隐患。例如我们在镗床上使用机用虎钳作为夹具对一批零件车外圆时，因为机用虎钳的装夹精度不高，会导致加工出来的外圆不能够满足设计要求，比如粗糙度过大、同轴度过大等，造成材料的浪费，增加生产成本；（2）机用虎钳安装在机床上夹持零件加工时，可能会引起震动，这将直接影响零件的加工表面质量，加工中的震动不仅会降低工件的表面质量，而且还会加剧刀具磨损，并破坏机床部件之间的连接特性。实际生产中为保证所需要的工件加工质量，很多情况下不得不降低切削用量，这就使机床和刀具的切削性能得不到充分发挥，很大程度上限制了机械加工生产效率的提高；（3）由于机用虎固定钳钳身的平面精度不高，可能会导致机用虎钳所装夹工件的受力不均匀，进而导致工件产生变形，影响工件的加工精度。也可能使工件产生应力集中，降低工件的强度，使用中可能发生断裂，缩短工件的使用寿命。另外机用虎钳在装夹外形较为复杂和不规则工件时，就有点力不从心了。主要原因是机用虎钳钳口是平直的，不适于装夹球形，特别是圆柱形工件。机加工是工件易偏移，有时工件还会飞出机床台面。为此，我们需要对机用虎钳的钳口部位进行改造，使之其能装夹各种工件。我们将在第3章详细介绍它的改进方案。3.6 机用虎钳的改进针对上面提到的机用虎钳固定钳身精度不足的问题，我们的措施有（1）采用铣床并用面铣刀来加工机用虎钳固定钳身的平面，因为铣床的工艺范围很广，主要用来加工平面，加工精度较高精铣后的表面粗糙度Ra可达3.20.63m，尺寸公差可达IT8IT9，直线度可达0.080,12mm/m。且面铣刀有很多优点，如生产效率高、刚性好能采用较大进给量、能同时多刀齿切削工作平稳、采用镶齿结构使刀齿刃磨、更换有利、刀具使用寿命长等。机用虎钳的精度提高了，它夹持工件时的稳定性就会增加，就可以保证加工质量、提高生产效率，降低生产成本、扩大机床工艺范围、减轻工人劳动强度，保证生产安全；（2）控制加工中的切削用量。在切削用量三要素中，对加工表面粗糙度影响最大的是进给量。进给量越小，残留面积高度越小，此外，鳞刺、积屑瘤和振动等不宜产生，因此，表面质量越高。但是进给量太小，是切削厚度减薄，加剧了切削刃钝圆半径对加工表面的挤压，使硬化严重。其次，切削速度是影响已加工表面质量的一个重要因素。在低速切削变形打，易形成积屑瘤和鳞刺；在中速时积屑瘤的高度达到最大值，所以中、低速切削不易获得小的表面粗糙度值。通常在中、低速时，可选取较大前角、减少进给量、采取提高刀具刃磨质量和合理选用切血液等措施，以抑制积屑瘤和鳞刺的产生，确保已加工表面质量；（3）合理设置刀具的几何参数。增大刀具前角使切削变形减小，故对积屑瘤、鳞刺、冷硬的影响较小。此外增大前角使刀具刃口更锋利，有利于进行薄切削，能达到精密加工的要求。但前角太大会削弱刀具强度和减小散热体积，加速刀具磨损。因此，为提高加工表面质量，应在刀具强度和刀具寿命许可条件下，尽量选用大的前角。增大刀具后角，可避免刀具后面与加工表面间产生摩擦，并减小对硬化和鳞刺等的影响。此外，增大后角，使切削刃钝圆半径减小，切削刃锋利，减小了对加工表面的挤压作用。（4）选用合理的刀具材料。高速钢刀具在刃磨时较易获得锋利切削刃和光整的刀面，因此在精车时配合其他切削参数及切削液，表面粗糙度可达Ra0.1252.5m；硬质合金刀具在高速车削时，切削变形小，在机床精度和工艺系统刚性等条件良好情况下，且不出现粘屑等，加工表面粗糙度达Ra0.80m。因此，我们选用硬质合金刀具。然后针对上文中提到的机用虎钳不适用于装夹球形，特别是圆柱形工件的缺点，为此我对机用虎钳的钳口部位进行了改造，使之能装夹各种工件。具体方法是，按原钳口大小做一个V型钳口，如图3.5所示。图3.5 V型钳口示意图V型钳口的优点：V形块定位的优点是：（1）对中性好，即能使工件的定位基准轴线对中V形块两斜面的对称平面上，在左右方向上不会发生偏移，且安装方便；（2）应用范围较广，不论定位基准是否经过加工，不论是完整的圆柱面还是局部圆弧面，都可采用V形块定位。V形块两斜面之间的夹角通常取60o、90o和120o，其中90o用的最多，其典型结构和尺寸均已标准化8。V形钳口的设计：此次设计为改装机用虎钳的平面钳口为V形钳口，以更好的加紧圆柱工件。此V形钳口的制作应该是一系列的，结合国家标准和本设计实体模型尺寸的要求，可得出机用虎钳V形块的效果图，如图3.6所示。图3.6 V形钳口4 PRO/E实体建模与运动仿真4.1 PRO/E概述CAD技术产生于20世纪60年代。在40余年的发展历程中，随着工业自动化水平的提高，在船舶、汽车及航空航天等高精尖的技术领域里，大量复杂的设计课题成为功能完备的CAD软件发展的强大推动力，因此，作为CAD技术重要标志的CAD软件取得了突飞猛进的发展。最初的大型CAD软件基于UNIX工作站，价格昂贵，使用复杂，培训、维护和升级费用高，极大地限制了软件的普及和推广。随着Windows平台的推广，其使用性能的不断提高，个人计算机逐步具备了与中低档UNIX工作站竞争的实力。在Windows平台上的新一代微机CAD软件系统基本上都采用典型的Windows界面风格个操作规范，并以其低廉的价格和简单的操作受到越来越多用户的青睐。Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。4.1.1 PRO/E的产生和发展20世纪90年代以后，参数化造型理论已经发展为CAD技术的重要基础理论。使用参数化思想建模简单方便，设计效率高，应用日趋广泛。美国PTC(Parametric Technology Corporatio